開場白

各位，今天咱們開個新坑，系統(tǒng)地聊聊5G這個東西。這個帖子會分三講，把5G從里到外扒個底朝天。我自己在通信行業(yè)摸爬滾打也有些年頭了，見過不少設(shè)備，踩過不少坑，今天就把這些經(jīng)驗都掏出來跟大家分享。

先說明白，這不是那種學(xué)院派的理論課，也不是廠商的宣傳材料。我會用最直白的話，把技術(shù)原理、部署難點、實際應(yīng)用都給你講透。你要是看完還云里霧里，那就是我沒講明白，歡迎隨時拍磚。

今天第一講的內(nèi)容安排是這樣的：先把5G的發(fā)展歷程理一遍，讓你知道為什么要搞5G；然后講三大典型應(yīng)用場景，這是5G的核心；接著聊聊關(guān)鍵性能指標，那些數(shù)字背后都有講究；最后說說網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實際挑戰(zhàn)，這部分跟咱們?nèi)粘＝佑|最近。

廢話不多說，開始上菜。

第一部分：移動通信技術(shù)的演進史

咱們先花點時間理理移動通信是怎么一步步走到今天的。很多人可能覺得這段歷史沒意思，但相信我，了解這個過程，你才能真正明白5G為什么要這么設(shè)計。

從1G到4G的技術(shù)軌跡

1G時代：大哥大的江湖

八十年代末九十年代初，第一代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)了。那時候的手機叫大哥大，跟塊磚頭似的，揣兜里能把褲子墜下來。功能呢？就一個，打電話。而且通話質(zhì)量還不咋地，經(jīng)常劈里啪啦的雜音，跟收音機調(diào)臺沒調(diào)準似的。

但在那個年代，能拿著大哥大在街上走，那可是身份的象征。我記得以前看過一個段子，說有人背著假的大哥大模型上街裝X，還真有人信。

技術(shù)上講，1G用的是模擬信號，頻率在800到900兆赫茲。模擬信號最大的問題是什么？容易被干擾，保密性也差。你要是在那個年代搞個掃頻器，說不定還能偷聽別人電話。我以前認識個老師傅，他說當(dāng)年在電信局工作，有時候線路串音，能聽到隔壁頻道的人聊天，那叫一個熱鬧。

2G時代：數(shù)字化革命

到了九十年代中后期，2G來了。這是個革命性的進步，最大的變化是從模擬信號變成了數(shù)字信號。咱們國內(nèi)主要用的是GSM標準，頻段在900兆和1800兆。

2G帶來了什么？首先是通話質(zhì)量大幅提升，基本沒有那種滋滋啦啦的雜音了。其次是可以發(fā)短信了。別小看短信這功能，在那個年代，短信可是年輕人談戀愛的主要工具。我記得當(dāng)年用諾基亞手機，一條短信一毛錢，每個月話費賬單上短信費能占一半。

后來又出了彩信、GPRS上網(wǎng)。雖然速度慢得要死，但畢竟能上網(wǎng)了。我記得用WAP上網(wǎng)，打開個網(wǎng)頁能等好幾分鐘，流量費還賊貴，一兆要好幾塊錢。但那種感覺，就像給你打開了一扇新世界的大門。

有個印象特別深的事，當(dāng)年用手機上網(wǎng)查個東西，結(jié)果頁面沒加載完，流量就跑了十幾兆，話費扣了幾十塊。那時候工資才一千多，心疼得要死。

3G時代：視頻通話的嘗試

2000年前后，3G開始商用。咱們國內(nèi)搞了三個標準：移動的TD-SCDMA、聯(lián)通的WCDMA、電信的CDMA2000。速度比2G快了不少，理論上能達到2Mbps。

3G最大的賣點是視頻通話。運營商當(dāng)年推這功能推得可賣力了，廣告鋪天蓋地，說什么"讓愛面對面"。但說實話，用的人并不多。一方面是流量貴，另一方面，視頻通話也沒大家想的那么剛需。我自己辦了視頻通話業(yè)務(wù)，一年下來也沒用過幾次。

不過3G有個很重要的意義，就是讓手機上網(wǎng)真正成為可能。雖然速度還是慢，但起碼能刷刷新聞、聊聊QQ了。智能手機也是從這個時候開始普及的，iPhone、安卓機開始進入市場。移動互聯(lián)網(wǎng)的萌芽，就是從3G時代開始的。

4G時代：移動互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)

2013年底，4G牌照發(fā)放。這才是真正改變生活的一代技術(shù)。4G的下載速度能達到100Mbps，理論峰值甚至能到1Gbps。這個速度意味著什么？意味著你在手機上看高清視頻、玩大型游戲，都不會卡。

4G帶來了什么？抖音、快手、王者榮耀、直播、移動支付、外賣、打車……這些改變咱們生活的應(yīng)用，哪個離得開4G？可以說，沒有4G，就沒有今天的移動互聯(lián)網(wǎng)繁榮。

我記得剛用上4G的時候，那種感覺就像從拖拉機換成了跑車。以前下載個幾百兆的文件要等半天，4G時代幾分鐘就搞定?？匆曨l也不用緩沖了，直接點開就能看。

但4G也有它的天花板。隨著智能設(shè)備越來越多，4G的容量開始吃緊。你可能有過這種體驗：在人多的地方，比如演唱會、體育場、地鐵站，手機信號就會變得很差，發(fā)個朋友圈都費勁。我去年去看演唱會，現(xiàn)場幾萬人，手機基本就廢了，想發(fā)個照片都發(fā)不出去。

而且4G主要還是解決"人"的需求，讓人能更快地上網(wǎng)。但未來呢？物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這些應(yīng)用4G根本撐不起來。所以5G就應(yīng)運而生了。

為什么必須要有5G？

很多人會問，4G已經(jīng)夠快了，為什么還要搞5G？這個問題問得好。

5G不只是快那么簡單。它要解決的是三個維度的問題：

第一，更快的速度。雖然4G已經(jīng)很快了，但對于一些新應(yīng)用還是不夠。比如8K視頻、云游戲、VR/AR，這些應(yīng)用需要的帶寬遠超4G能提供的。

第二，海量連接?，F(xiàn)在智能設(shè)備越來越多，家里的冰箱、空調(diào)、洗衣機、電燈、門鎖，甚至垃圾桶，都要聯(lián)網(wǎng)。一個家庭可能有幾十個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，一個小區(qū)可能有上萬個。4G網(wǎng)絡(luò)撐不住這么多連接。

第三，低時延高可靠。自動駕駛、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療，這些應(yīng)用對時延和可靠性的要求極高。4G的時延大概50毫秒，這對自動駕駛來說太慢了。車以100公里時速行駛，50毫秒能跑1.4米，這1.4米可能就是生死之別。

所以5G不是4G的簡單升級，而是為了滿足未來十年的應(yīng)用需求而設(shè)計的全新技術(shù)體系。

第二部分：5G的三大典型應(yīng)用場景

5G的設(shè)計圍繞著三個核心場景展開。這三個場景構(gòu)成了一個三角形，每個頂點代表一種典型應(yīng)用。理解了這三個場景，你就理解了5G的全部。

場景一：eMBB - 增強移動寬帶

eMBB的全稱是Enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶。說人話就是：更快的上網(wǎng)速度。

速度有多快？

4G的理論峰值速率是100Mbps，實際使用中可能就幾十兆。5G的目標是用戶體驗速率達到100Mbps到1Gbps。注意，這不是峰值，是體驗速率，也就是你實際能感受到的速度。

1Gbps是什么概念？每秒1G的數(shù)據(jù)。下載一部10GB的高清電影，理論上10秒就能搞定。以前用4G可能要十幾分鐘，3G時代可能要一個多小時。

我去年在深圳參加過一次5G體驗活動，現(xiàn)場測速，下載速度能跑到800多Mbps。那種感覺就像坐上了火箭。我當(dāng)場下了個游戲，4個G，不到20秒就下完了。旁邊體驗的人都在驚嘆。

應(yīng)用場景有哪些？

最直觀的就是高清視頻?，F(xiàn)在4K視頻已經(jīng)比較普及了，但8K還很少見。為什么？因為8K視頻的碼率太高，一部電影可能上百G，4G網(wǎng)絡(luò)根本看不了。但5G可以。

還有VR和AR。這兩個技術(shù)喊了好多年，一直沒普及，最大的瓶頸就是網(wǎng)絡(luò)。VR需要傳輸大量的3D畫面數(shù)據(jù)，對帶寬和時延要求都很高。4G做不到，5G可以。我體驗過5G的VR游戲，畫面流暢度比4G好太多，基本沒有卡頓和延遲。

云游戲也是個大應(yīng)用。游戲不用下載到本地，直接在云端運行，手機只負責(zé)顯示畫面和傳輸操作指令。這樣的話，手機配置低點也無所謂，只要網(wǎng)速夠快就行。我用過云游戲平臺，在手機上玩《原神》這種大型游戲，效果還真不錯。

還有一個很實際的應(yīng)用：高清視頻會議。疫情期間大家都在家辦公，視頻會議用得特別多。但4G網(wǎng)絡(luò)下，多人視頻會議經(jīng)?？D、畫面模糊。5G就沒這個問題，幾十人的視頻會議都能保證高清流暢。

場景二：mMTC - 海量機器類通信

mMTC的全稱是Massive Machine Type Communications，海量機器類通信。說白了就是物聯(lián)網(wǎng)。

連接數(shù)量有多大？

5G的目標是每平方公里支持100萬個設(shè)備連接。什么概念？一平方公里是個邊長一公里的正方形，相當(dāng)于150個足球場那么大。在這個范圍內(nèi)，能有100萬個設(shè)備同時在線。

100萬個設(shè)備聽起來很夸張，但實際上并不算多。咱們算筆賬：

假設(shè)這一平方公里里有個居民小區(qū)，1000戶人家。每戶5口人，5000人。每人2個設(shè)備（手機+平板或手表），10,000個設(shè)備。

每戶家里再算20個智能設(shè)備：智能燈泡10個、插座5個、空調(diào)2臺、冰箱1臺、洗衣機1臺、門鎖1個，20,000個設(shè)備。

小區(qū)里的公共設(shè)施：監(jiān)控攝像頭100個、路燈200個、煙霧報警器500個、水電氣表3000個，再加3800個。

加起來：10,000 + 20,000 + 3,800 = 33,800個設(shè)備。

看起來離100萬還遠著呢對吧？但別忘了，這只是一個小區(qū)。一平方公里能裝好幾個這樣的小區(qū)。而且我說的還是保守估計，實際上每戶的智能設(shè)備只會更多。

我自己家現(xiàn)在就有三十多個智能設(shè)備。智能窗簾、掃地機器人、空氣凈化器、電視、音箱、體重秤、血壓計、攝像頭、門鈴……數(shù)都數(shù)不過來。再過幾年，每個房間都有十幾個傳感器、執(zhí)行器，一個家庭上百個設(shè)備不算多。

這些設(shè)備有什么特點？

第一，速率要求不高。一個智能門鎖，可能一天就傳幾KB的數(shù)據(jù)："我被打開了"、"電池還剩30%"。一個溫濕度傳感器，可能每小時傳一次數(shù)據(jù)，每次就幾十字節(jié)。它們不需要很快的網(wǎng)速，200kbps就夠了。

第二，數(shù)量巨大。前面算了，每平方公里可能有幾十萬甚至上百萬個設(shè)備。

第三，功耗要低。這些設(shè)備很多是電池供電的，比如煙霧報警器、溫濕度傳感器。你不可能每個月都去換電池吧？所以必須低功耗，最好能用個三五年甚至十年。

我以前裝過一個無線門磁，用的是普通電池，結(jié)果半年就沒電了。換了個低功耗的，用了兩年多還有電。這就是技術(shù)進步帶來的差異。

第四，成本要低。如果一個智能插座要五百塊錢，誰會買？所以模塊成本必須壓下來，最好幾十塊錢就能搞定。

5G在設(shè)計的時候，專門針對這些需求做了優(yōu)化。比如有一種技術(shù)叫NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)），是5G體系下專門為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的。用NB-IoT的設(shè)備，功耗能做到4G的千分之一。什么概念？如果4G模塊一年要換一次電池，NB-IoT模塊十年都不用換。

應(yīng)用場景有哪些？

智能家居是最直觀的應(yīng)用。你家的所有設(shè)備都聯(lián)網(wǎng),通過手機或語音就能控制。早上起床,窗簾自動打開,咖啡機開始工作,空調(diào)調(diào)到舒適溫度。晚上回家,門鎖識別你的指紋自動開門,燈光自動亮起,電視打開到你喜歡的頻道。

我自己家就搞了一套智能家居系統(tǒng)。出門的時候,說一句"我走了",所有燈光自動關(guān)閉,空調(diào)關(guān)機,掃地機器人開始工作,安防系統(tǒng)啟動。回家的時候,還沒到門口,空調(diào)就自動打開了,進門就是涼爽的。這種體驗真的回不去了。

智慧城市是更大的應(yīng)用。城市里的所有基礎(chǔ)設(shè)施都聯(lián)網(wǎng),實時監(jiān)控、智能調(diào)度。

路燈不再只是照明,它可以監(jiān)測空氣質(zhì)量、監(jiān)控交通流量、提供WiFi熱點,甚至還能給電動車充電。每個路燈都是一個智能終端,全市的路燈組成一個龐大的物聯(lián)網(wǎng)。我在深圳看到過這樣的路燈,確實很智能。

垃圾桶也能聯(lián)網(wǎng)。當(dāng)垃圾裝滿了,自動發(fā)送信號給環(huán)衛(wèi)部門,環(huán)衛(wèi)車就知道該去哪里收垃圾了。不用像以前那樣定時巡查,既省人力又提高效率。

停車場的每個車位都有傳感器,實時檢測是否有車。你開車進停車場,系統(tǒng)直接告訴你哪里有空位,甚至可以導(dǎo)航過去。不用再一圈圈地找車位了。我最討厭找車位,有時候轉(zhuǎn)半天都找不到,這個功能真是解決了痛點。

智慧農(nóng)業(yè)也很有前景。在農(nóng)田里布滿傳感器,監(jiān)測土壤濕度、溫度、光照、蟲害。一旦發(fā)現(xiàn)問題,自動灌溉、施肥、打藥。農(nóng)民坐在家里用手機就能管理幾千畝地。我有個朋友搞農(nóng)業(yè),現(xiàn)在就在用這套系統(tǒng),他說效率提高了好幾倍。

智慧醫(yī)療更是救命的東西。老人身上戴個智能手環(huán),實時監(jiān)測心率、血壓、血糖。數(shù)據(jù)傳到醫(yī)院,一旦發(fā)現(xiàn)異常,醫(yī)生立刻收到警報,可以及時干預(yù)。對慢性病患者來說,這簡直是保命的神器。我爸有高血壓,我給他買了個智能手環(huán),確實放心多了。

場景三:URLLC - 超可靠低時延通信

URLLC的全稱是Ultra-Reliable and Low-Latency Communications,超可靠低時延通信。簡單說就是:快、準、穩(wěn)。

時延要多低？

5G的目標是端到端時延1毫秒。什么概念？人眨一次眼睛大約100毫秒,1毫秒是眨眼速度的百分之一。聲音在空氣中傳播1米大約需要3毫秒,1毫秒聲音只能傳30厘米。

4G的時延大概50毫秒,已經(jīng)很快了。但對某些應(yīng)用來說,50毫秒還是太慢。

為什么要這么快？

最典型的就是自動駕駛。

一輛車以100公里時速行駛,每秒前進27.8米。如果網(wǎng)絡(luò)時延是50毫秒,車在收到指令前已經(jīng)走了1.4米。這1.4米可能就是撞與不撞的區(qū)別。

但如果時延是1毫秒,車只移動了2.78厘米,這點距離對剎車系統(tǒng)來說完全可以忽略。

我看過一個測試視頻,用4G網(wǎng)絡(luò)控制的模擬車,在緊急情況下剎車距離比5G多了1米多。別小看這1米,關(guān)鍵時刻能救命。

更關(guān)鍵的是,自動駕駛不是一輛車在跑,是一群車在路上互相協(xié)調(diào)。車A要變道,需要告訴車B"我要過來了";車B收到信息后要判斷"我是讓還是不讓";同時車C和車D也在通信。這些信息的交換必須實時,任何延遲都可能導(dǎo)致事故。

工業(yè)控制也是如此。

我去過一個汽車制造廠,流水線上的機械臂在焊接車身。這個機械臂的動作精度要求到0.1毫米級別。如果控制信號延遲了幾十毫秒,機械臂的位置就偏了,整個車身可能就廢了。一臺車的成本幾十萬,廢一臺就是幾十萬的損失。

所以工業(yè)控制對時延的要求極其苛刻,1毫秒已經(jīng)是能接受的極限了。

遠程手術(shù)更是如此。

醫(yī)生在北京,病人在新疆,通過5G網(wǎng)絡(luò)進行遠程手術(shù)。醫(yī)生操作手術(shù)機器人,機器人的手在病人體內(nèi)做精細操作。醫(yī)生的每個動作都要實時傳到機器人上,不能有任何延遲。

我看過一個遠程手術(shù)的紀錄片,醫(yī)生說最怕的就是網(wǎng)絡(luò)延遲。他的手動了,機器人過了半秒才動,這期間病人的器官可能已經(jīng)移動了位置,手術(shù)刀可能就切到不該切的地方。想想都后怕。

VR游戲也需要低時延。

你戴著VR頭盔玩賽車游戲,方向盤一打,畫面要立刻跟上。如果延遲超過20毫秒,你會感覺畫面跟不上動作,產(chǎn)生眩暈感。這叫"暈動癥",是VR行業(yè)最大的痛點。

我第一次玩VR的時候,用的是4G網(wǎng)絡(luò),玩了不到十分鐘就暈了,難受了半天。后來用5G網(wǎng)絡(luò)玩,完全沒有這個問題,可以玩很久。

5G的低時延可以把延遲壓到10毫秒以內(nèi),基本消除暈眩感,讓VR體驗質(zhì)的飛躍。

可靠性要多高？

5G的目標是99.999%的可靠性。五個9,意味著什么？意味著十萬次通信,最多只能失敗一次。換算成時間,一年8760小時,允許的故障時間只有5.26分鐘。

這個要求非?？量?但必須達到。因為一旦通信失敗,可能就是人命。

自動駕駛的剎車指令,如果因為網(wǎng)絡(luò)丟包沒收到,后果不堪設(shè)想。工業(yè)控制的停機指令,如果沒傳達到,可能整條生產(chǎn)線都出事。遠程手術(shù)的操作信號,如果斷了,病人的命就沒了。

怎么做到99.999%的可靠性？靠冗余。

通信鏈路有備份,主鏈路斷了,備份鏈路立刻接上。基站有冗余,一個基站掛了,旁邊的基站馬上接管。數(shù)據(jù)有重傳機制,發(fā)現(xiàn)丟包立刻重發(fā)。電源有雙路供電,一路斷電另一路頂上。

這些冗余設(shè)計都要花錢,所以5G的建設(shè)成本比4G高很多。但沒辦法,要保證可靠性,這些投入是必須的。

移動性支持

5G還有個指標是支持500公里/小時的通信?，F(xiàn)在高鐵最高350公里/小時,為什么要支持到500？

因為要為未來留余量。中國已經(jīng)在測試時速600公里的磁懸浮列車,日本的磁懸浮也在往這個方向努力。如果5G只能支持到350,那幾年后新的高速交通工具出來了,5G就不夠用了。

在高速移動場景下通信,難度很大。

第一是多普勒效應(yīng)。你在高速上開車,聽到對面來車的喇叭聲,會發(fā)現(xiàn)音調(diào)先高后低。這是因為車輛的相對運動導(dǎo)致聲波頻率變化。電磁波也一樣,你坐在500公里/小時的車上,基站發(fā)射的信號頻率在你這里會產(chǎn)生偏移。

第二是頻繁切換。高速移動意味著你會快速穿過一個個基站的覆蓋范圍。4G的基站覆蓋半徑可能是幾公里,你以500公里/小時的速度,幾十秒就穿過一個基站,要切換到下一個。

我坐高鐵的時候經(jīng)常遇到網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定,就是因為切換的問題。5G通過優(yōu)化切換算法,可以做到更快、更平滑的切換,理論上可以實現(xiàn)零中斷。

第三部分：5G的關(guān)鍵性能指標詳解

前面講了三大場景,現(xiàn)在咱們把具體的技術(shù)指標掰開了說清楚。很多人看到這些數(shù)字就頭大,但其實每個數(shù)字背后都有物理規(guī)律和實際需求在支撐。

指標一：流量密度 - 每平方公里10TB/秒

這個數(shù)字聽起來很抽象,咱們換個角度理解。

假設(shè)你在工體看球賽,工人體育場能坐六萬人。這六萬人里,至少有一半會在比賽的時候刷手機、發(fā)朋友圏、拍視頻、看回放。按照5G的標準,每個人的體驗速率要達到100Mbps到1Gbps之間,咱們?nèi)€中間值500Mbps。

那么三萬人同時在線,需要多大的容量？

30,000人 × 500Mbps = 15,000,000Mbps = 15Tbps

工體的占地面積大約0.2平方公里,15Tbps除以0.2,單位面積的流量密度是75Tbps每平方公里。你看,這已經(jīng)超過了5G標準定的10Tbps了。

但這里有個竅門。不是所有人都在同一時刻瘋狂用網(wǎng),有人在看,有人在發(fā),有人在聊天,有人只是偶爾刷一下。通信里有個概念叫"忙時集中度",實際上同時在線并且全力跑流量的人,可能只有總數(shù)的三分之一。所以真實需求可能是5Tbps左右。

但為什么標準要定到10Tbps？因為要留余量。你想,如果剛好夠用,網(wǎng)絡(luò)肯定會卡。留一倍的余量,才能保證體驗流暢。

我去年去看演唱會,現(xiàn)場五萬多人,4G網(wǎng)絡(luò)基本就廢了,想發(fā)個照片都發(fā)不出去。如果是5G網(wǎng)絡(luò),就不會有這個問題。

再舉個例子。深圳有個華強北商業(yè)區(qū),方圓一平方公里,工作日白天人流量能到幾十萬。這些人不光刷手機,商戶還要通過網(wǎng)絡(luò)進貨、收款、監(jiān)控。加上遍地的共享單車、外賣小哥、快遞員,他們的設(shè)備也都在聯(lián)網(wǎng)。所有這些加起來,流量需求是海量的。

10TB/秒的流量密度,就是為了應(yīng)對這種極端場景設(shè)計的。日常使用當(dāng)然用不到這么多,但有備無患。

指標二：連接密度 - 每平方公里100萬設(shè)備

這個指標我前面提到過,現(xiàn)在展開講講。

每平方公里100萬設(shè)備,聽起來很夸張,但實際上是經(jīng)過仔細計算的。

未來的城市,到處都是傳感器和智能設(shè)備。路燈、井蓋、垃圾桶、停車位、廣告牌、充電樁……每一個都可能是個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。再加上家庭里的各種智能家居,商業(yè)場所的各種設(shè)備,100萬這個數(shù)字其實不算多。

而且這些設(shè)備的通信特點跟手機完全不同。手機需要高速率,但連接時間相對短。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備速率低,但需要長期在線,隨時可能有數(shù)據(jù)傳輸。

這對網(wǎng)絡(luò)的連接管理能力提出了很高的要求。4G做不到這一點,4G的連接數(shù)上限大概是每平方公里十萬級別,已經(jīng)很吃力了。5G把這個數(shù)字提升了十倍,這才是真正的"萬物互聯(lián)"。

我有個朋友做智慧城市項目,他說現(xiàn)在最大的瓶頸就是網(wǎng)絡(luò)連接能力。一個中等城市要部署幾百萬個傳感器,4G網(wǎng)絡(luò)根本承受不了。等5G大規(guī)模部署了,這個瓶頸就解決了。

指標三：端到端時延 - 1毫秒

時延這個東西,普通用戶感知不強,但在某些場景下是生死攸關(guān)的。

1毫秒是什么概念？我前面講過,這里再強調(diào)一下。

從發(fā)出指令到設(shè)備收到指令,整個過程不能超過1毫秒。這包括了信號的傳輸時間、處理時間、轉(zhuǎn)發(fā)時間等等。

達到這個指標很難。信號在光纖中的傳播速度大約是每秒20萬公里,1毫秒能傳200公里。但實際上,信號要經(jīng)過很多環(huán)節(jié):從手機發(fā)出,到基站,到核心網(wǎng),再到目標設(shè)備,每個環(huán)節(jié)都有處理時間。

5G通過多種技術(shù)手段來降低時延:

一是邊緣計算。把計算節(jié)點下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣,數(shù)據(jù)不用傳到遠端的云端數(shù)據(jù)中心,在本地就能處理,大大降低了時延。

二是網(wǎng)絡(luò)切片。為不同的業(yè)務(wù)分配專用的網(wǎng)絡(luò)資源,避免相互干擾和擁塞。

三是優(yōu)化協(xié)議。簡化通信流程,減少不必要的握手和確認。

我參觀過一個5G實驗室,他們做自動駕駛的測試。模擬車輛在高速行駛,突然前方出現(xiàn)障礙物,系統(tǒng)要立即剎車。用4G網(wǎng)絡(luò),從檢測到障礙物到剎車指令到達,平均時延50毫秒。用5G網(wǎng)絡(luò),時延降到了5毫秒以內(nèi)。雖然還沒達到1毫秒的理想狀態(tài),但已經(jīng)是質(zhì)的飛躍了。

指標四：可靠性 - 99.999%

五個9的可靠性,前面也提到過,這里說說怎么實現(xiàn)。

首先是鏈路冗余。每個通信鏈路都有備份,主鏈路出問題了,備份鏈路立刻接管,切換時間不超過50毫秒,用戶基本無感知。

其次是設(shè)備冗余。關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都是雙機熱備,一臺故障了,另一臺立刻頂上。核心機房都有雙路電源,一路斷電了,另一路繼續(xù)供電。

再次是數(shù)據(jù)冗余。重要的數(shù)據(jù)會存多份,分散在不同的服務(wù)器上。即使某個服務(wù)器掛了,數(shù)據(jù)也不會丟失。

最后是故障自愈。網(wǎng)絡(luò)有智能監(jiān)控系統(tǒng),實時檢測各種異常。一旦發(fā)現(xiàn)問題,自動切換路由,重新分配資源,最大程度減少故障影響。

我以前在運營商干過,深知保證可靠性有多難。一個小小的配置錯誤,可能導(dǎo)致大面積網(wǎng)絡(luò)癱瘓。一次設(shè)備故障,可能影響幾萬用戶。所以運營商對可靠性極其重視,各種冗余措施都要做到位。

99.999%的可靠性,意味著一年只能有5分鐘的故障時間。這個要求真的很高,但對于關(guān)鍵業(yè)務(wù)來說,這是必須達到的。

指標五：移動性 - 500公里/小時

這個指標我前面講過原理,這里說說實現(xiàn)難度。

在高速移動場景下通信,有兩大難點:

一是多普勒頻移。車輛高速移動,導(dǎo)致接收到的信號頻率發(fā)生偏移。5G的算法要能實時補償這個偏移,否則通信就會出錯。

二是頻繁切換。高速移動意味著快速穿過一個個基站的覆蓋范圍,需要頻繁切換。切換過程要做到無縫,不能掉線,不能丟包。

5G通過X2接口(基站之間的直連接口)來實現(xiàn)快速切換。當(dāng)你從基站A的覆蓋范圍移動到基站B時,A和B之間會提前協(xié)商,把你的通信會話平滑地轉(zhuǎn)移過去。理論上可以做到零中斷。

我坐高鐵的時候測試過,用4G網(wǎng)絡(luò)打語音電話,穿隧道或者經(jīng)過某些區(qū)域,會有明顯的斷續(xù)。用5G網(wǎng)絡(luò)就好多了,基本聽不出切換的痕跡。

當(dāng)然,現(xiàn)實中要達到理想效果還有很長的路要走。網(wǎng)絡(luò)覆蓋、設(shè)備性能、算法優(yōu)化,每個環(huán)節(jié)都要做到位才行。

指標六：能效和頻譜效率

這兩個指標比較專業(yè),但也很重要。

能效是指每傳輸1比特數(shù)據(jù)消耗的能量。5G要求比4G降低100倍。為什么？因為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備太多了,如果每個設(shè)備的功耗都很高,電池根本撐不住。

一個智能門鎖,如果功耗跟手機一樣,可能一周就要換次電池,誰受得了？所以必須低功耗。5G通過優(yōu)化調(diào)制方式、降低傳輸功率、采用間歇性通信等手段,把功耗降下來。

有個技術(shù)叫NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)),是5G體系下專門為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的。用NB-IoT的設(shè)備,電池可以用5-10年,這才是真正實用的物聯(lián)網(wǎng)。

我家裝的智能門鎖用的就是NB-IoT技術(shù),兩年多了還沒換過電池,確實省心。

頻譜效率是指單位頻譜資源能傳輸多少數(shù)據(jù)。這個指標提升比較難,因為受制于香農(nóng)定律(信息論的基礎(chǔ)定律)。5G通過大規(guī)模MIMO、高階調(diào)制(256QAM甚至更高)等技術(shù),把頻譜效率又提升了一截,但提升空間已經(jīng)不大了。

未來要想繼續(xù)提升,可能要靠更高的頻段,或者更激進的技術(shù)突破。

第四部分：5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的實際挑戰(zhàn)

講了那么多技術(shù)指標和應(yīng)用場景,現(xiàn)在該說說最實際的問題了:怎么把5G建起來？

很多人以為5G建設(shè)就是把4G基站拆了,換成5G基站。實際上完全不是這么回事,真實的部署過程復(fù)雜得多,也現(xiàn)實得多。

挑戰(zhàn)一：從4G到5G的平滑演進

運營商不可能一夜之間把全國的4G網(wǎng)絡(luò)都拆了換5G,那得多少錢？而且4G用戶還是大多數(shù),你把4G網(wǎng)絡(luò)拆了,他們用什么？

所以5G的部署必須跟4G共存,而且要平滑演進。這就產(chǎn)生了兩種組網(wǎng)方式:NSA(非獨立組網(wǎng))和SA(獨立組網(wǎng))。

NSA是什么意思？就是5G的無線部分(基站)是新的,但核心網(wǎng)還用4G的。就像你買了輛新車,但還走老路。這種方式的好處是建設(shè)快、成本低,可以利用現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)資源。

但NSA有個致命缺點:很多5G的新特性用不了。比如低時延、網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算這些,都需要5G核心網(wǎng)的支持。NSA只是速度快了,但本質(zhì)還是4G的架構(gòu)。

我用過NSA的5G網(wǎng)絡(luò),速度確實快,下載能跑到幾百兆。但時延還是跟4G差不多,玩游戲的時候能明顯感覺到延遲。

SA是真正的5G,從無線到核心網(wǎng)全部是新的。這才能發(fā)揮5G的全部能力。但SA的問題是投資大、建設(shè)周期長、技術(shù)難度高。

所以實際部署中,運營商采取的策略是:先建NSA,快速鋪開覆蓋;然后逐步升級到SA,釋放5G的完整能力。

中國的三大運營商現(xiàn)在基本都完成了SA的部署,但很多國家還停留在NSA階段。這就是為什么說中國的5G建設(shè)走在世界前列。

挑戰(zhàn)二：BBU集中化部署

BBU是什么？BaseBand Unit,基帶處理單元,負責(zé)信號的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼等核心功能。

傳統(tǒng)的基站,BBU和RRU(射頻單元)是一體的,就在基站鐵塔下面的機柜里。但5G時代,BBU可以集中部署,甚至可以放到云上。

為什么要這么做？

第一,前面說了,5G需要多站協(xié)作。比如大規(guī)模MIMO需要多個基站之間交換信息,來實現(xiàn)波束的協(xié)調(diào)。如果BBU都分散在各個基站,協(xié)同起來很困難。把BBU集中起來,協(xié)同就方便多了。

第二,資源利用率更高。不同基站的忙閑時間不一樣,早上居民區(qū)忙、商業(yè)區(qū)閑,晚上反過來。如果BBU集中管理,就可以動態(tài)調(diào)配資源,忙的地方多分配點,閑的地方少分配點。

第三,維護方便。BBU集中在機房里,出了問題維護人員不用爬鐵塔,在機房里就能處理。

我以前干過基站維護,深知爬鐵塔有多辛苦。夏天鐵塔上溫度能到五六十度,冬天凍得手都伸不出來。如果能在機房里解決問題,那真是太幸福了。

但BBU集中化也帶來新問題:BBU到RRU之間需要光纖連接,而且對光纖的帶寬和時延要求很高。這就涉及到傳輸網(wǎng)的擴容。

挑戰(zhàn)三：傳輸網(wǎng)的瓶頸

5G基站的吞吐量是4G的十倍以上,但如果傳輸網(wǎng)跟不上,再快的基站也沒用。就像高速公路出口只有一車道,再多的車也要排隊。

很多地方的傳輸網(wǎng)還是為4G設(shè)計的,比如一個基站用一條千兆光纖。但5G基站可能需要10G甚至更高的帶寬。

怎么辦？重新拉光纖？成本太高了。

解決方案有幾個:

第一,波分復(fù)用。一條光纖可以傳輸多個不同波長的光信號,相當(dāng)于在一條光纜上跑多條虛擬光纖。通過WDM(波分復(fù)用)技術(shù),千兆光纖可以擴展到10G甚至100G。

第二,光模塊升級。把光模塊從千兆升級到萬兆,不用換光纖,只換兩頭的設(shè)備就行。

第三,微波回傳。在一些光纖部署困難的地方,比如山區(qū)、海島,可以用微波鏈路回傳數(shù)據(jù)。5G時代的微波技術(shù)已經(jīng)很成熟,可以跑到幾個Gbps。

我參與過一個海島的5G建設(shè)項目,因為拉光纖成本太高,就用了微波回傳。效果還不錯,速度能跑到3Gbps,基本滿足需求。

但這些方案都要花錢。所以5G的建設(shè)成本里,傳輸網(wǎng)占了很大一塊。

挑戰(zhàn)四：電費吃不消

這個問題很實際,但經(jīng)常被忽略。

5G基站的功耗是4G的2-3倍。一個5G宏基站,功耗可能達到3-5千瓦。如果一個城市有一萬個5G基站,一年的電費就是個天文數(shù)字。

我算過一筆賬:一個5G基站功耗4千瓦,一天24小時不停,一天就是96度電。按工業(yè)用電1塊錢一度算,一天電費96塊,一年就是35,000塊。一萬個基站就是3.5億。

運營商算過賬,5G網(wǎng)絡(luò)的運營成本里,電費占了三分之一以上。這還不算設(shè)備折舊、維護人員工資、機房租金等等。

所以運營商也在想辦法省電。

一個辦法是基站休眠。深夜的時候用戶少,可以讓一部分基站進入休眠模式,降低功耗。等早上用戶多了再喚醒。

我住的小區(qū)基站就是這樣,晚上12點到早上6點,5G基站會休眠,只保留4G。對用戶影響不大,因為這個時間段大部分人都在睡覺,不怎么用網(wǎng)。

另一個辦法是用新型功放。功放是基站里最耗電的部分,新一代的GaN(氮化鎵)功放比傳統(tǒng)的LDMOS功放效率高很多,能省不少電。

還有就是用新能源。在一些偏遠地區(qū),拉電網(wǎng)不劃算,可以用太陽能板+蓄電池給基站供電。這在西部地區(qū)、海島上已經(jīng)有應(yīng)用了。

但歸根結(jié)底,5G的電費負擔(dān)還是很重。這也是為什么5G建設(shè)進度沒有當(dāng)初預(yù)期的那么快,運營商也要考慮投入產(chǎn)出比。

挑戰(zhàn)五：頻譜資源的博弈

前面說了,5G用的頻段比4G高,主要在3.5GHz和4.9GHz附近。但這些頻段原本是有其他用途的,比如軍用、衛(wèi)星通信等。

要把這些頻段騰出來給5G用,涉及到復(fù)雜的頻譜重耕。什么叫重耕？就是原來用這個頻段的人不用了,或者換到別的頻段去。

這個過程很麻煩。比如某個頻段原來是軍隊用的,現(xiàn)在要給5G,軍隊得先遷移到別的頻段,這需要協(xié)調(diào)、補償、技術(shù)改造,一系列流程走下來可能要好幾年。

而且不同國家的頻譜劃分還不一樣。中國用3.5GHz,美國用的是毫米波(28GHz),歐洲又不一樣。這導(dǎo)致設(shè)備廠商要針對不同市場開發(fā)不同版本的產(chǎn)品,增加了成本和復(fù)雜度。

我有個朋友在華為做5G設(shè)備研發(fā),他說最頭疼的就是適配不同國家的頻段要求。同一款基站,要開發(fā)十幾個版本,每個版本的天線、功放、濾波器都不一樣。成本和工作量都大大增加。

所以5G的全球推廣,頻譜協(xié)調(diào)是個大問題。

挑戰(zhàn)六：大規(guī)模MIMO技術(shù)的部署

前面提到過MIMO技術(shù),這里展開講講部署上的挑戰(zhàn)。

MIMO的全稱是Multiple-Input Multiple-Output,多輸入多輸出。說人話就是:用多根天線同時發(fā)射和接收信號,來提高通信質(zhì)量和速率。

這個概念不復(fù)雜,但實現(xiàn)起來很難。

首先是天線數(shù)量。5G基站的天線數(shù)量可以達到64根、128根甚至更多。這么多天線怎么安裝？怎么布線？怎么調(diào)試？都是問題。

我見過一個5G基站的天線陣列,密密麻麻的,看著就頭皮發(fā)麻。每根天線都要單獨連線、單獨校準,工作量巨大。

其次是波束賦形。多根天線要形成指向特定方向的波束,需要精確控制每根天線的相位和幅度。這涉及到復(fù)雜的算法和大量的計算。

5G基站配備的處理器性能要比4G強得多,就是為了支撐這些計算。但即使這樣,要實時處理幾十個波束、服務(wù)幾十個用戶,計算壓力還是很大。

再次是3D波束賦形。傳統(tǒng)天線只能控制水平方向的波束,5G要同時控制水平和垂直兩個方向。這需要天線陣列是個平面,而不是一排。

平面陣列的安裝和調(diào)試比線性陣列難多了。而且平面陣列的尺寸更大、重量更重,對鐵塔的承重也提出了更高要求。很多老舊的鐵塔承受不了5G天線的重量,需要加固甚至重建。

我參與過幾個5G基站的建設(shè),發(fā)現(xiàn)鐵塔加固是個很大的工程。有的鐵塔建了十幾年了,結(jié)構(gòu)老化,加固起來很麻煩。有的干脆重建,成本就更高了。

最后是干擾管理。這么多天線同時工作,相互之間的干擾怎么控制？跟相鄰基站的天線怎么協(xié)調(diào)？這都需要精細的算法和實時的調(diào)整。

5G引入了很多智能化的干擾管理技術(shù),比如自適應(yīng)波束賦形、智能功率控制等。但實際部署中,要把這些技術(shù)調(diào)到最優(yōu),需要大量的測試和優(yōu)化工作。

我認識個做網(wǎng)優(yōu)的工程師,他說5G網(wǎng)優(yōu)比4G難多了。4G可能調(diào)幾個參數(shù)就行,5G要調(diào)幾十個參數(shù),而且參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián),調(diào)一個參數(shù)可能影響到其他好幾個。沒有幾個月的經(jīng)驗,根本搞不定。

挑戰(zhàn)七：軟件定義網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

前面提到過SDN和NFV,這是5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的重要創(chuàng)新,但部署起來也有挑戰(zhàn)。

SDN(Software Defined Network)是軟件定義網(wǎng)絡(luò),把網(wǎng)絡(luò)的控制平面和數(shù)據(jù)平面分離,通過軟件來靈活控制網(wǎng)絡(luò)行為。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)里,每臺路由器、交換機都有自己的控制邏輯,要修改網(wǎng)絡(luò)配置,得逐臺設(shè)備去改,既麻煩又容易出錯。

SDN把控制邏輯集中到一個控制器上,所有設(shè)備都聽控制器的指揮。要修改配置,只需要在控制器上操作,幾秒鐘就能下發(fā)到所有設(shè)備。

這種架構(gòu)靈活性很高,特別適合5G的網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用。不同的業(yè)務(wù)需要不同的網(wǎng)絡(luò)特性,通過SDN可以快速創(chuàng)建、修改、刪除網(wǎng)絡(luò)切片,滿足各種需求。

但SDN也有問題。首先是控制器成了單點故障,控制器掛了,整個網(wǎng)絡(luò)就癱了。所以必須有冗余,通常是部署多個控制器互為備份。

其次是安全性?？刂破髡瓶卣麄€網(wǎng)絡(luò),如果被黑客攻破,后果不堪設(shè)想。所以控制器的安全防護必須做到極致。

我聽說過一個案例,某個SDN網(wǎng)絡(luò)的控制器被黑客入侵了,黑客修改了路由策略,把所有流量都導(dǎo)向了一個假的DNS服務(wù)器,用戶訪問任何網(wǎng)站都被劫持到釣魚網(wǎng)站。雖然很快就發(fā)現(xiàn)并處理了,但已經(jīng)造成了很大影響。

NFV(Network Function Virtualization)是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化,把原來需要專用硬件實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能,用軟件在通用服務(wù)器上實現(xiàn)。

比如防火墻、負載均衡器、深度包檢測設(shè)備,原來都是專用的硬件盒子,又貴又不靈活。NFV把這些功能虛擬化,運行在通用的x86服務(wù)器上,成本大大降低,擴展也方便。

我參觀過一個NFV部署的機房,幾十臺服務(wù)器,運行著幾百個虛擬網(wǎng)元。如果是用傳統(tǒng)硬件,得擺滿整個機房,而且每次擴容都要采購新設(shè)備?，F(xiàn)在只需要加幾臺服務(wù)器,或者升級軟件,就能實現(xiàn)擴容,方便多了。

但NFV也有挑戰(zhàn)。虛擬化會帶來性能損耗,雖然現(xiàn)在的虛擬化技術(shù)已經(jīng)很成熟,損耗可以控制在10%以內(nèi),但對于一些性能敏感的網(wǎng)元,還是個問題。

而且虛擬化的管理也很復(fù)雜。幾百個虛擬網(wǎng)元,怎么調(diào)度？怎么監(jiān)控？怎么升級？都需要專門的管理系統(tǒng)。

我認識個做NFV的工程師,他說最頭疼的就是故障定位。傳統(tǒng)硬件設(shè)備,出了問題很好查,燈不亮了就是硬件壞了。虛擬化的網(wǎng)元,出了問題可能是軟件bug,可能是底層服務(wù)器問題,可能是網(wǎng)絡(luò)問題,排查起來很麻煩。

不過總的來說,SDN和NFV是5G網(wǎng)絡(luò)的重要方向,雖然現(xiàn)在還有些問題,但隨著技術(shù)成熟,會越來越好用。

第五部分：課后總結(jié)

好,第一講的內(nèi)容基本就是這些。咱們回顧一下要點:

移動通信的演進 從1G的大哥大到5G的萬物互聯(lián),每一代都解決了新的問題。1G能打電話,2G能發(fā)短信,3G能視頻通話,4G能高速上網(wǎng),5G要實現(xiàn)萬物互聯(lián)。這不是簡單的速度提升,而是應(yīng)用場景的全面擴展。

5G的三大場景 eMBB(增強移動寬帶)讓手機上網(wǎng)更快,支持高清視頻、VR/AR、云游戲。mMTC(海量機器通信)支持物聯(lián)網(wǎng),每平方公里100萬設(shè)備連接。URLLC(低時延高可靠)支持自動駕駛、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療,時延1毫秒、可靠性99.999%。

關(guān)鍵性能指標 流量密度每平方公里10TB/秒,連接密度每平方公里100萬設(shè)備,端到端時延1毫秒,移動性支持500公里/小時,能效比4G提升100倍。每個數(shù)字背后都有物理規(guī)律和實際需求在支撐。

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)挑戰(zhàn) 從4G到5G的平滑演進,NSA和SA并存。BBU集中化與云化,提升協(xié)同能力。傳輸網(wǎng)擴容,解決帶寬瓶頸。電費成本高企,需要節(jié)能方案。頻譜資源緊張,重耕難度大。大規(guī)模MIMO技術(shù)部署復(fù)雜。SDN和NFV帶來靈活性,也帶來新的管理挑戰(zhàn)。

這些技術(shù)細節(jié)和實際問題,決定了5G不是一蹴而就的,而是一個持續(xù)演進的過程。理解了這些,你就能判斷那些關(guān)于5G的新聞報道哪些是實錘、哪些是忽悠。

下一講,咱們會繼續(xù)深入,講講5G的無線關(guān)鍵技術(shù),包括信道編碼、調(diào)制方式、頻譜管理等更底層的東西。還會詳細講講MIMO技術(shù)的原理和應(yīng)用,這是5G最核心的技術(shù)之一。

如果你對今天的內(nèi)容有疑問,或者想深入了解某個技術(shù)點,歡迎留言討論。記住,學(xué)技術(shù)不要怕問,問題越多說明思考得越深入。

好了,今天就到這里,咱們下次見。記得把這個帖子收藏起來,慢慢消化。5G是個大課題,一次講不完,咱們慢慢來。

原創(chuàng)文章，作者：自動駕駛王老師，如若轉(zhuǎn)載，請注明出處：https://www.key-iot.com.cn/jssf/1051.html

審核編輯 黃宇